СТРАТИГРАФИЯ. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ, 2007, том 15, № 5, с. 3-25
УДК 551.21:551.24:551.72
ГЕОДИНАМИКА РАННЕГО ДОКЕМБРИЯ. СТАТЬЯ 1. ВУЛКАНИЗМ И АССОЦИИРОВАННЫЕ МАНТИЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ
© 2007 г. О. М. Розен, А. А. Щипанский
Геологический институт РАН, Москва Поступила в редакцию 10.05.2006 г., получена после доработки 30.10.2006 г.
В статье обсуждаются наиболее важные абиотические процессы раннего докембрия, установленные в континентальной коре, и комплементарные им процессы в подстилающей мантии. Нас интересует, когда впервые проявился тот или иной процесс, каковы признаки его сохранности, эволюции и возможного исчезновения в течение последующей геологической истории. Изложение большей частью базируется на описании характерных объектов, что позволяет наглядно показать явление и его причинно-следственную интерпретацию, после чего становятся понятными различные точки зрения, высказываемые в литературе. Рассмотрены раннедокембрийские зеленокамен-ные пояса и офиолиты, островодужные системы и эклогиты, явления внесубдукционного магматизма (рифтогенез, платобазальты, дайки, кимберлиты), а также генетически сложная и полихронная группа интрузий - анортозиты. Описание предваряется кратким обзором наиболее ранних проявлений геодинамики, связанных с падением космических тел, завершившим аккрецию планеты.
Ключевые слова. Ранний докембрий, океаническая литосфера, офиолиты, океанические плато, островодужные системы, эклогиты, внесубдукционный магматизм, рифтогенез, анортозиты.
ВВЕДЕНИЕ
Геодинамика - наука о глубинных силах и процессах, возникающих в результате эволюции Земли как планеты и обуславливающих движение масс вещества и энергии внутри Земли и в ее верхних твердых оболочках (Зоненшайн, Кузьмин, 1992). Базируясь на этом определении, можно выделить догеологический режим, связанный со становлением Земли как планетарного тела, расслоенного на оболочки, ядро, мантию и кору, и тот режим, начало которого фиксируется наиболее древними картируемыми геологическими телами. Догеологический режим геодинамики (гадейский) реконструируется на основе данных математического моделирования, сравнительной планетологии и изотопной геохимии. В более поздней геодинамике очевидны две главные движущие силы. Первая - тепловая конвекция в мантии, неизбежная вследствие градиента температур, возникновение конвективных ячеек и перманентное плитное перемещение их кровли. На поднимающейся ветви мантийной ячейки происходит адиабатическое плавление и возникают базальтовые срединно-океанические хребты (СОХ), а на погружающейся ветви - субдукция. Субдук-ционный магматизм может быть связан как с парциальным плавлением мантийного клина над погружающейся океанической плитой, так и с частичным плавлением собственно базальтовой коры погружающейся океанической литосферы. Вторая движущая сила геодинамики связана с
мантийными плюмами. Зарождаясь в глубинной мантии, на границах D'' или ядро - мантия, поднимающиеся мантийные плюмы ответственны за формирование обширных магматических провинций (океанических плато и траппов), кимбер-литовый магматизм и магматизм горячих точек, а также рифтогенез континентальной коры.
Использованная в статье современная шкала раннего докембрия является хронометрической и предусматривает выделение, от древних к молодым, следующих отрезков времени (млн. лет): эоархей - >3800? -3600; палеоархей - 3600-3200; мезоархей - 3200-2800; неоархей - 2800-2500; па-леопротерозой - 2500-1600 (Gradstein et al., 2004). Ограниченный объем статьи заставляет сосредоточиться на главных, наиболее обоснованных, гипотезах и опустить обсуждение многочисленных альтернативных предположений.
ПЕРВЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИКИ
В соответствии с импактной гипотезой, через 25-35 млн. лет после образования солнечной системы - 4550-4540 млн. лет назад образовалась система Земля - Луна (Williams, 2004). На основании согласованных значений соотношения и распределения изотопов благородных газов установлен возраст Земли в 4.45 ± 0.02 млрд. лет, когда последний планетозималь размера Марса упал на Землю (Zhang, 1998). Предполагается, что в результате ударного разогрева произошло частич-
ное плавление (на 20-30%) верхней мантии, а возникший глубинный квазирасплавный горизонт назван магматическим океаном. Быстрая аккреция планет земной группы позволяет допускать захват первичной атмосферы из солнечной туманности. Метеоритная бомбардировка, в сопоставлении с данными по Луне, около 3.8 млрд. лет назад могла быть в 15 раз более интенсивной, чем теперь и снизиться, примерно, в два раза к 3.0 млрд. лет назад. Возможно, что на протяжении всего архея импактное воздействие космических тел на Землю было более интенсивным по сравнению с менее отдаленной геологической историей. Об этом свидетельствует нарастающий объем информации о находках капель силикатного расплава (тектитов, сферул), возникающих при плавлении и испарении мишени - силикатного вещества коры, в породах архейского возраста (Abbott, Hagstrum, 2004).
Формирование ядра, по-видимому, произошло в течение первых 100 млн. лет, и также рано произошла дифференциация мантии на химически различные домены с образованием деплетиро-ванного резервуара верхней мантии (Nutman et al., 2001; 2002; Caro et al., 2003). Примерно, к этому же времени относятся первые свидетельства о возникновении гранитов. В западной Австралии были обнаружены детритовые цирконы с возрастом древнее 4.0 млрд. лет, один из которых показал изотопный возраст 4.404 млрд. лет (Wilde et al., 2001). Эти цирконы обнаруживают высокие значения тяжелого изотопа 18О (7%о-8%о), что свидетельствует об их происхождении из гранитов, которые, в свою очередь, должны были возникать за счет частичного плавления ранее существовавшей гидратированной мафитовой коры (Moizsis et al., 2001, Valley, 2002). Однако недавно получены и данные о низких значениях 518О (<6.5%о) в этих цирконах, которые свойственны мантийным и лунным цирконам (Nemchin et al., 2006), что указывает о необходимости дальнейших исследований вещества гадейского периода развития Земли.
Известные местонахождения горных пород первого миллиарда лет в истории Земли (>3550 млн. лет) занимают на поверхности сравнительно небольшую территорию, около 10000 км2 (Nutman et al., 2001, 2002). Самый большой участок располагается в юго-западной Гренландии (гнейсовый комплекс Итсак, район Исуа), значительные - в Лабрадоре (Канада) и Западной Австралии, небольшие участки - в Антарктиде, Китае, а также в районе Акаста Канадского щита, где обнаружены древнейшие земные горные породы с возрастом ~4030 млн. лет. Гнейсовый комплекс Итсак в Гренландии включает крупные домены, которые относительно слабо затронуты деформациями и мигматизацией, и демонстрируют отчетливо различимые (в эпидот-амфиболитовой
фации) осадочные, вулканические и плутонические породы. Эти данные свидетельствуют о существовании в эоархее на Земле гидросферы и литосферы, а также декретированного верхнемантийного резервуара, служившего источником формирования вулканогенных пород зеленока-менного пояса Исуа (Polat et al., 2004).
Постепенный распад радиоактивных изотопов должен был приводить к сокращению тепла, поступавшего из недр к поверхности. Так, некоторыми исследователями считается, что в палеоар-хее теплогенерация была, примерно, в 3 раза выше современной, а 2.5 млрд. лет назад в начале палеопротерозоя, - выше в 2 раза (Pollack, 1997). Снижение со временем температур генерации ко-матиитов и пикритов, связываемых с мантийными плюмами, с архея до фанерозоя составляло ~300°C, что объясняется снижением общей температуры Земли (Condie, 2001).
Выводы. Сиалическая кора, гранитоиды и гидросфера устанавливаются уже 3.8 млрд. лет назад, хотя изученная площадь таких ареалов невелика. Возраст наиболее древних горных пород коры составляет 4.03 млрд. лет, хотя известны цирконы с возрастом > 4. 2 млрд. лет, происхождение которых связывается с гранитами. Признаки существования верхних оболочек Земли, свойственных для ее фанерозойской истории, проявились всего через ~400-500 млн. лет после завершения аккреции планеты.
АРХЕЙСКАЯ ОКЕАНИЧЕСКАЯ ЛИТОСФЕРА, ОФИОЛИТЫ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ ПЛАТО
Механизм спрединга океанической литосферы и ее постоянного обновления, по-видимому, начал действовать, по крайней мере, с эоархея. Требование обновления океанической литосферы и ее рециклинга в архее следует из необходимости обеспечения изотопного масс-баланса эволюционирующей системы взаимодействия кора -мантия (Chase, Patchett, 1988; Galer, Goldstein, 1991; Hofmann, 1997). Современные модели термальной эволюции Земли также предполагают, что в архее должны были происходить плейт-тек-тонические процессы с высокими значениями чисел Релея для конвектирующей мантии и балансирующей диссипацией тепловой энергии в суб-дукционных зонах (Conrad, Hager, 1999; Korenaga, 2003).
Предполагая, что в архее тепловой поток должен быть, по крайней мере, в 2-3 раза более высоким по сравнению с наблюдаемым на современной Земле, можно ожидать, что архейская океаническая литосфера сильно отличалась от фанерозойской, а строение ее коровой части было не сопоставимо с офиолитами (Bickle, 1986). Действительно,
Рис. 1. Схематизированная карта Мира, иллюстрирующая местоположение находок фрагментов архейской океанической литосферы в зеленокаменных поясах по (de Wit, 2004) с добавлениями и изменениями. Рядом с названиями поясов цифрами в скобках обозначены их изотопные возраста в миллиардах лет; звездочками - разрезы с сохранившимися свидетельствами офиолитовых последовательностей; кружками - разрезы с изотопно-геохимическими свидетельствами архейской океанической литосферы, включая присутствие в них бонинитовых серий.
параметрические расчеты адиабатического плавления верхней мантии при условии ее более горячего состояния показывают, что в архее неизбежно должна была формироваться океаническая кора в 2-3 раза более мощная, нежели океаническая кора фанерозойской истории Земли (Sleep, Windley, 1982; McKenzie, Bickle, 1988). Теоретически наиболее подходящим кандидатом на образ архейской океанической коры представляется коро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.